機(jī)器人的主要驅(qū)動方式及其特點(diǎn)

1、一 目前機(jī)器人的主要驅(qū)動方式及其特點(diǎn) 根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式，將驅(qū)動器劃分為液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和新型驅(qū)動裝置。在選擇機(jī)器人驅(qū)動器時，除了要充分考慮機(jī)器人的工作要求，如工作速度、最大搬運(yùn)物重、驅(qū)動功率、驅(qū)動平穩(wěn)性、精度要求外，還應(yīng)考慮到是否能夠在較大的慣性負(fù)載條件下，提供足夠的加速度以滿足作業(yè)要求。A液壓驅(qū)動特點(diǎn)液壓驅(qū)動所用的壓力為5320kgf/cm2.a）優(yōu)點(diǎn)1能夠以較小的驅(qū)動器輸出較大的驅(qū)動力或力矩，即獲得較大的功率重量比。2可以把驅(qū)動油缸直接做成關(guān)節(jié)的一部分，故結(jié)構(gòu)簡單緊湊，剛性好。3由于液體的不可壓縮性，定位精度比氣壓驅(qū)動高，并可實現(xiàn)任意位置的開停。4液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單和平穩(wěn)，能

2、在很大調(diào)整范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速。5使用安全閥可簡單而有效的防止過載現(xiàn)象發(fā)生。6液壓驅(qū)動具有潤滑性能好、壽命長等特點(diǎn)。B）缺點(diǎn)1油液容易泄漏。這不僅影響工作的穩(wěn)定性與定位精度，而且會造成環(huán)境污染。2因油液粘度隨溫度而變化，且在高溫與低溫條件下很難應(yīng)用。3因油液中容易混入氣泡、水分等，使系統(tǒng)的剛性降低，速度特性及定位精度變壞。4需配備壓力源及復(fù)雜的管路系統(tǒng)，因此成本較高。C)適用范圍液壓驅(qū)動方式大多用于要求輸出力較大而運(yùn)動速度較低的場合。在機(jī)器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)中，近年來以電液伺服系統(tǒng)驅(qū)動最具有代表性。B氣壓驅(qū)動的特點(diǎn) 氣壓驅(qū)動在工業(yè)機(jī)械手中用的較多。使用的壓力通常在0.4-0.6Mpa，最高可達(dá)1Mp

3、a。a）優(yōu)點(diǎn) 1快速性好，這是因為壓縮空氣的黏性小，流速大，一般壓縮空氣在管路中流速可達(dá)180m/s，而油液在管路中的流速僅為2.5-4.5 m/s。 2氣源方便，一般工廠都有壓縮空氣站供應(yīng)壓縮空氣，亦可由空氣壓縮機(jī)取得。 3廢氣可直接排入大氣不會造成污染，因而在任何位置只需一根高壓管連接即可工作，所以比液壓驅(qū)動干凈而簡單。 4通過調(diào)節(jié)氣量可實現(xiàn)無級變速。 5由于空氣的可壓縮性，氣壓驅(qū)動系統(tǒng)具有較好的緩沖作用。 6可以把驅(qū)動器做成關(guān)節(jié)的一部分，因而結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、成本低。b）缺點(diǎn) 1因為工作壓力偏低，所以功率重量比小、驅(qū)動裝置體積大。 2基于氣體的可壓縮性，氣壓驅(qū)動很難保證較高的定位精度。

4、3使用后的壓縮空氣向大氣排放時，會產(chǎn)生噪聲。 4因壓縮空氣含冷凝水，使得氣壓系統(tǒng)易銹蝕，在低溫下易結(jié)冰。C 電氣驅(qū)動的特點(diǎn)電氣驅(qū)動是利用各種電動機(jī)產(chǎn)生力和力矩，直接或經(jīng)過機(jī)械傳動去驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以獲得機(jī)器人的各種運(yùn)動。因為省去了中間能量轉(zhuǎn)換的過程，所以比液壓及氣動驅(qū)動效率高，使用方便且成本低。電氣驅(qū)動大致可分為普通電機(jī)驅(qū)動、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和直線電機(jī)驅(qū)動三類。（a）普通電機(jī)驅(qū)動的特點(diǎn)普通電機(jī)包括交流電機(jī)、直流電機(jī)及伺服電機(jī)。交流電機(jī)一般不能進(jìn)行調(diào)速或難以進(jìn)行無級調(diào)速，即使是多速電機(jī)，也只能進(jìn)行有限的有級調(diào)速。直流電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，但直流電源價格較高，因而限制了它在大功率機(jī)器人上的應(yīng)用。（b）步

5、進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的特點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的速度和位移大小，可由電氣控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖數(shù)加以控制。由于步進(jìn)電機(jī)的位移量與脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比，故步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動可以達(dá)到較高的重復(fù)定位精度，但是，但是步進(jìn)電機(jī)速度不能太高，控制系統(tǒng)也比較復(fù)雜。（c）直線電機(jī)驅(qū)動的特點(diǎn)直線電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低，其動作速度與行程主要取決于其定子與轉(zhuǎn)子的長度，反接制動時，定位精度較低，必須增設(shè)緩沖及定位機(jī)構(gòu)。D新型驅(qū)動裝置的特點(diǎn)隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了利用新工作原理制造的新型的驅(qū)動器，如磁致伸縮驅(qū)動器、壓電驅(qū)動器、靜電驅(qū)動器、形狀記憶合金驅(qū)動器、超聲波驅(qū)動器、人工肌肉、光驅(qū)動器等。a）磁致伸縮驅(qū)動器 磁性體的外部一旦加上磁場，則磁性體的

6、外形尺寸發(fā)生變化（焦耳效應(yīng)），這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象。此時，如果磁性體在磁化方向的長度增大，則稱為正磁致伸縮；如果磁性體在磁化方向的長度減少，則稱為負(fù)磁致伸縮。從外部對磁性體施加壓力，則磁性體的磁化狀態(tài)會發(fā)生變化（維拉利效應(yīng)），則稱為逆磁致伸縮現(xiàn)象。這種驅(qū)動器主要用于微小驅(qū)動場合。b）壓電驅(qū)動器壓電材料是一種當(dāng)它受到力作用時其表面上出現(xiàn)與外力成比例電荷的材料，又稱壓電陶瓷。反過來，把電場加到壓電材料上，則壓電材料產(chǎn)生應(yīng)變，輸出力或變位。利用這一特性可以制成壓電驅(qū)動器，這種驅(qū)動器可以達(dá)到驅(qū)動亞微米級的精度。c）靜電驅(qū)動器靜電驅(qū)動器利用電荷間的吸力和排斥力互相作用順序驅(qū)動電極而產(chǎn)生平移或旋轉(zhuǎn)的運(yùn)

7、動。因靜電作用屬于表面力，它和元件尺寸的二次方成正比，在微小尺寸變化時，能夠產(chǎn)生很大的能量。d）形狀記憶合金驅(qū)動器形狀記憶合金是一種特殊的合金，一旦使它記憶了任意形狀，即使它變形，當(dāng)加熱到某一適當(dāng)溫度時，則它恢復(fù)為變形前的形狀。已知的形狀記憶合金有Au-Cd、In-Tl、Ni-Ti，Cu-Al-Ni、Cu-Zn-Al等幾十種。e）超聲波驅(qū)動器所謂超聲波驅(qū)動器就是利用超聲波振動作為驅(qū)動力的一種驅(qū)動器，即由振動部分和移動部分所組成，靠振動部分和移動部分之間的摩擦力來驅(qū)動的一種驅(qū)動器。由于超聲波驅(qū)動器沒有鐵芯和線圈，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、響應(yīng)快、力矩大，不需配合減速裝置就可以低速運(yùn)行，因此，很適

8、合用于機(jī)器人、照相機(jī)和攝像機(jī)等驅(qū)動。f）人工肌肉 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，驅(qū)動器從傳統(tǒng)的電機(jī)-減速器的機(jī)械運(yùn)動機(jī)制，向骨架腱肌肉的生物運(yùn)動機(jī)制發(fā)展。人的手臂能完成各種柔順作業(yè)，為了實現(xiàn)骨骼肌肉的部分功能而研制的驅(qū)動裝置稱為人工肌肉驅(qū)動器。為了更好地模擬生物體的運(yùn)動功能或在機(jī)器人上應(yīng)用，已研制出了多種不同類型的人工肌肉，如利用機(jī)械化學(xué)物質(zhì)的高分子凝膠，形狀記憶合金制作的人工肌肉。g）光驅(qū)動器某種強(qiáng)電介質(zhì)（嚴(yán)密非對稱的壓電性結(jié)晶）受光照射，會產(chǎn)生幾千伏/厘米的光感應(yīng)電壓。這種現(xiàn)象是壓電效應(yīng)和光致伸縮效應(yīng)的結(jié)果。這是電介質(zhì)內(nèi)部存在不純物、導(dǎo)致結(jié)晶嚴(yán)密不對稱、在光激勵過程中引起電荷移動而產(chǎn)生的。二 機(jī)器

9、人驅(qū)動的要求1驅(qū)動裝置的質(zhì)量盡可能要輕。單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率高。2反應(yīng)速度要快。要求力質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大。 3動作平滑，不產(chǎn)生沖擊。4控制靈活，位移偏差和速度偏差小。5安全可靠。 6操作維修方便等。二 典型的驅(qū)動裝置及相關(guān)內(nèi)容1 實現(xiàn)直線運(yùn)動的液壓缸主要構(gòu)成：主要由活塞、活塞桿、缸體、缸蓋、密封圈、進(jìn)出油口等構(gòu)成。工作原理2 單活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)圖主要構(gòu)成：1、18缸蓋 11活塞 12活塞桿 3進(jìn)、出油口 7、 8、9、 15、16密封圈3 閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)1 工作原理： 通常用運(yùn)算放大器做成的伺服放大器向液壓伺服系統(tǒng)中的電液伺服閥提供一個電信號。由電信號控制先導(dǎo)閥再控制一級或兩

10、級液壓放大器，產(chǎn)生足夠的動力去驅(qū)動機(jī)器人的機(jī)械部件。 液壓伺服系統(tǒng)原理圖 用伺服閥控制液壓缸簡化原理圖2 核心液壓元件：在閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，核心液壓元件是電液伺服閥。 3 作用及特點(diǎn)：電液伺服閥是一種接受電氣模擬信號，輸出相應(yīng)調(diào)制流量和壓力的液壓控制閥。4 分類：電液伺服閥的種類繁多。按液壓放大器的級數(shù)可分為單級、兩級和三級；按第一級液壓放大器的結(jié)構(gòu)分，有滑閥、噴嘴擋板閥、射流管閥等。其中以雙噴嘴擋板閥為最常用。4 電機(jī)驅(qū)動裝置的工作原理1 步進(jìn)電機(jī)a） 結(jié)構(gòu)： 定子：定子鐵芯由硅鋼片疊加而成。每個定子磁極上均有控制繞組，且有均勻分布的小齒。 轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵芯同樣由硅鋼片

11、疊加而成。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，其上也有均勻分布的小齒。通常定子磁極上的小齒和轉(zhuǎn)子上的小齒其齒寬和槽寬都是一樣的。但它們之間的相對位置按一定的規(guī)律排列。如當(dāng)A相定子小齒和轉(zhuǎn)子小齒對準(zhǔn)時，B、C相的定子小齒就會和轉(zhuǎn)子的小齒錯開。 錯齒是步進(jìn)電動機(jī)能夠步進(jìn)的根本原因 b） 工作原理：c） A、B、C相電流通常來自于機(jī)器人控制系統(tǒng) 2直流伺服電機(jī)a）構(gòu)成：由定子、轉(zhuǎn)子和換向器構(gòu)成。 定子：由極心、極掌和勵磁繞組構(gòu)成。 轉(zhuǎn)子：由轉(zhuǎn)子鐵芯和電樞繞組構(gòu)成。 換向器：改變電樞繞組中電流的流動方向； 并使磁極下的電流方向保持不變。b)工作原理1、通電導(dǎo)體在磁場中一定會受到力的作用。2、判斷受力方向用左手法則：磁力線

12、穿過手心，四指指向電流方向，大拇指則指向受力方向。3、 電樞繞組在旋轉(zhuǎn)一周的過程中，每根導(dǎo)體中的電流方向發(fā)生了改變，但由于換向器的作用，保證了每個磁極下的導(dǎo)體的通電方向不變，從而使得電樞的受力方向不變c)直流電機(jī)的分類：直流電動機(jī)根據(jù)勵磁繞組與電樞繞組的連接方式不同可分為他勵、并勵、串勵與復(fù)勵。1 直流伺服電機(jī)：轉(zhuǎn)子電樞繞組的電源來自于控制系統(tǒng)的他勵直流電機(jī)。2 直流伺服電機(jī)的調(diào)速與換向：通過改變控制系統(tǒng)提供電源電壓的大小和極性改變電機(jī)的速度和方向。5 氣壓驅(qū)動系統(tǒng)l 氣壓驅(qū)動系統(tǒng)的組成與液壓系統(tǒng)有許多相似之處，但在以下三個方面有明顯的不同：l 空氣壓縮機(jī)輸出的壓縮空氣首先儲存于儲氣罐中，然后

13、供給各個回路使用 。l 氣動回路使用過的空氣無需回收，而是直接經(jīng)排氣口排入大氣，因而沒有回收空氣的回氣管道。1 氣壓驅(qū)動回路右圖為一典型的氣壓驅(qū)動回路。在這個圖中沒有畫出空氣壓縮機(jī)和儲氣罐。壓縮空氣由空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生，其壓力約為0.5-0.7Mpa，并被送入儲氣罐。然后由儲氣罐用管道接入驅(qū)動回路。在過濾器內(nèi)出去灰塵和水分后，流向壓力調(diào)整閥調(diào)壓，使空氣壓縮機(jī)的壓力至4-5Mpa。在油霧器中，壓縮空氣被混入油霧。這些油霧用于潤滑系統(tǒng)的滑閥及氣缸，同時也起一定的防銹作用。從油霧出來的壓縮空氣接著進(jìn)入換向閥，電磁換向閥根據(jù)電信號，改變閥芯的位置使壓縮空氣進(jìn)入氣缸A腔或者B腔，驅(qū)動活塞向右或者向左運(yùn)動。2

14、氣動系統(tǒng)的組成 一般規(guī)定，當(dāng)排氣量大于或等于6-12的情況下，就有必要單獨(dú)設(shè)立壓縮空氣站。壓縮空氣站主要由空氣壓縮機(jī)、吸氣過濾器、后冷卻器、油水分離器和儲氣罐組成。如要求氣體質(zhì)量更高，還應(yīng)附設(shè)氣體的干燥、凈化等處理裝置（1）空氣壓縮機(jī)空氣壓縮機(jī)種類很多，主要有活塞式、葉片式、螺桿式、離心式、軸流式、混流式等。前三種為容積式，后三種為速度式。所謂容積式就是周期地改變氣體容積的方法，即先通過縮小空氣的體積，使單位體積內(nèi)氣體分子密度增加，形成壓縮空氣。而速度式則是先讓氣體分子得到一個很高的速度，然后讓他停滯下來，將動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，使氣體的壓力提高。選擇空氣壓縮機(jī)的基本參數(shù)是供氣量和工作壓力。工作壓

15、力應(yīng)當(dāng)和空氣壓縮機(jī)的額定排氣壓力相符，而供氣量應(yīng)當(dāng)與所選壓縮機(jī)的排氣量相符。（2）氣源凈化輔助設(shè)備氣源凈化輔助設(shè)備包括后冷卻器、油水分離器、儲氣罐、干燥器、過濾器等。 后冷卻器后冷卻器安裝在空氣壓縮機(jī)出口處的管道。它對空氣壓縮機(jī)排出的溫度高達(dá)150左右的壓縮空氣降溫，同時使混入壓縮空氣的水汽和油氣凝聚成水滴和油滴。通過后冷卻器的氣體溫度降至40-50。后冷卻器主要有風(fēng)冷式和水冷式兩種，風(fēng)冷式冷卻器如圖5-10所示。風(fēng)冷式冷卻器是靠風(fēng)扇產(chǎn)生的冷空氣吹向帶散熱片的熱氣管道來降低壓縮空氣溫度的。它不需要循環(huán)冷卻水，所以具有占地面積小，使用及維護(hù)方便等特點(diǎn) 油水分離器油水分離器的作用是分離壓縮空氣中凝

16、聚的水分、油份和灰塵等雜質(zhì)，使壓縮空氣初步得到凈化，其結(jié)構(gòu)形式有環(huán)形回轉(zhuǎn)式、撞擊折回式、離心旋轉(zhuǎn)式、水浴式及以上形式的組合等。撞擊折回式油水分離器結(jié)構(gòu)如圖5-11所示。當(dāng)壓縮空氣由進(jìn)氣管4進(jìn)入分離器殼體以后，氣流先受到隔板2的阻擋，被撞擊而折回向下，之后又上升并產(chǎn)生環(huán)形回轉(zhuǎn)，最后從輸出管3排出。與此同時，在壓縮空氣中凝聚的水滴、油滴等雜質(zhì)受慣性力的作用而分離析出，沉降于殼體底部，由閥6定期排出。 儲氣罐如圖5-12 所示。儲氣罐的作用是儲存一定量的壓縮空氣，保證供給氣動裝置連續(xù)和穩(wěn)定的壓縮空氣，并可減小氣流脈動所造成的管道振動。同時，還可進(jìn)一步分離油水雜質(zhì)。儲氣罐上通常裝有安全閥、壓力表、排污

17、閥等。 干燥器如圖5-13所示。為了進(jìn)一步排除壓縮空氣中的水、油與雜志，以供給要求高度干燥、潔凈壓縮空氣的氣動裝置。 過濾器如圖5-14所示。對要求高的壓縮空氣，經(jīng)干燥處理之后，再經(jīng)過二次過濾。過濾器大致有陶瓷過濾器、焦炭過濾器、粉末冶金過濾器及纖維過濾器 （3）氣壓驅(qū)動器氣壓驅(qū)動器時最簡單的一種驅(qū)動方式，氣體驅(qū)動元件有直線汽缸和旋轉(zhuǎn)氣動馬達(dá)兩種。氣壓驅(qū)動器除了用壓縮空氣作為工作介質(zhì)外，其它與液壓驅(qū)動器類似。氣動馬達(dá)和汽缸是典型的氣壓驅(qū)動器。氣壓驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、價格便宜。但是由于空氣的可壓縮性，精度和可控性較差，不能應(yīng)用在高精度的場合。一種新型的氣動馬達(dá)，用微處理器直接控制的一種葉片

18、馬達(dá)，能攜帶215.6N的負(fù)載而又獲得高的定位精度（1mm）。（1）葉片式氣動馬達(dá)由于空氣的可壓縮性，使得汽缸的特性與液壓油缸的特性有所不同。因為空氣的溫度和壓力變化時將導(dǎo)致密度的變化，所以采用質(zhì)量流量比體積流量更方便。假設(shè)汽缸不受熱的影響，則質(zhì)量流量與活塞速度之間有如下關(guān)系。 （5-6）式中R-氣體常數(shù)，T-絕對溫度，V-汽缸腔的容積；k-比熱常數(shù)，p-汽缸腔內(nèi)壓力，A-活塞的有效受壓面積?？梢钥闯鲈谙到y(tǒng)中，活塞速度與流量之間的關(guān)系不像式那樣簡單，氣動系統(tǒng)所產(chǎn)生的力與液壓系統(tǒng)相同，也可以用式來表達(dá)。典型的氣動馬達(dá)有葉片馬達(dá)和徑向活塞馬達(dá)，其工作原理與液壓馬達(dá)相同。氣動機(jī)械的噪聲較大，有時要按照消聲器。圖5-15所示為葉片式氣動馬達(dá)的結(jié)構(gòu)。葉片式氣動馬達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕，其缺點(diǎn)是氣動啟動力矩較小。 氣壓驅(qū)動的控制結(jié)構(gòu)圖5-16所示為氣壓驅(qū)動器的控制原理，它由放大器、電動部件及變速器、位移（或轉(zhuǎn)角）-氣壓變換器和氣-電變換器等組成。放大器把輸入的控制信號放大后去推動電動部件及變速器，電動部件及變速器把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，產(chǎn)生線位移或角位移